Géiseres en Marte

Posibles erupciones de gas y polvo de CO2 en Marte
Concepto artístico que muestra chorros cargados de arena que surgen de los géiseres marcianos. (Publicado por la NASA; artista: Ron Miller ).
Manchas oscuras en las dunas

Géiseres marcianos (o CO
2Los chorros de gas son supuestos lugares de pequeñas erupciones de gas y polvo que ocurren en la región polar sur de Marte durante el deshielo primaveral. Las "manchas de dunas oscuras" y las "arañas" (o araneiformes [1] ) son los dos tipos de características más visibles atribuidas a estas erupciones.

Los géiseres marcianos son distintos de los géiseres de la Tierra, que suelen estar asociados a la actividad hidrotermal. No se parecen a ningún fenómeno geológico terrestre. La reflectancia ( albedo ), las formas y la inusual apariencia de araña de estas características han estimulado una variedad de hipótesis sobre su origen, que van desde las diferencias en la reflectancia de la escarcha hasta explicaciones que involucran procesos biológicos. Sin embargo, todos los modelos geofísicos actuales asumen algún tipo de actividad similar a un chorro o un géiser en Marte. [2] [3] [4 ] [ 5] [6] [7] [8] [9] [10] Sus características y el proceso de su formación aún son motivo de debate.

Estas características son exclusivas de la región polar sur de Marte, en un área denominada informalmente "región críptica", en latitudes de 60° a 80° sur y longitudes de 150°O a 310°O; [11] [12] [13] esta área de transición de hielo de dióxido de carbono (CO 2 ) de 1 metro de profundidad, entre los escarpes de la gruesa capa de hielo polar y el permafrost, es donde se ubican los grupos de los aparentes sistemas de géiseres.

La congelación y descongelación estacional del hielo de dióxido de carbono da como resultado la aparición de una serie de características, como manchas de dunas oscuras con grietas o canales en forma de araña debajo del hielo, [3] donde los canales radiales en forma de araña se tallan entre el suelo y el hielo de dióxido de carbono, dándole una apariencia de telarañas, luego, la presión que se acumula en su interior expulsa gas y arena basáltica oscura o polvo, que se deposita en la superficie del hielo y, por lo tanto, forma manchas de dunas oscuras. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Este proceso es rápido, se observa que ocurre en el espacio de unos pocos días, semanas o meses, una tasa de crecimiento bastante inusual en geología, especialmente para Marte. [14] Sin embargo, parecería que se necesitarían varios años para tallar los canales más grandes en forma de araña. [2] No hay datos directos sobre estas características aparte de las imágenes tomadas en los espectros visible e infrarrojo .

Historia

Primer plano de manchas oscuras de dunas obtenidas por la sonda Mars Global Surveyor y descubiertas en 2000 por Greg Orme.

Las características geológicas, informalmente llamadas manchas oscuras de dunas y arañas, fueron descubiertas por separado en imágenes adquiridas por la cámara MOC a bordo del Mars Global Surveyor durante 1998-1999. [15] [16] Al principio, se pensó que eran características no relacionadas debido a su apariencia, por lo que desde 1998 hasta 2000 se informaron por separado en diferentes publicaciones de investigación ( [16] [17] y [18], respectivamente). A partir de 2000, se propusieron y refinaron modelos de "chorro" o "géiser". [4] [5]

El nombre de "arañas" fue acuñado por el personal de Malin Space Science Systems , los desarrolladores de la cámara. Una de las primeras y más interesantes fotografías de arañas fue encontrada por Greg Orme en octubre de 2000. [19] La forma y apariencia inusual de estas "telarañas" y manchas provocó mucha especulación sobre su origen. Los primeros años de vigilancia mostraron que durante los siguientes años marcianos, el 70% de las manchas aparecen exactamente en el mismo lugar, y un estudio estadístico preliminar obtenido entre septiembre de 1999 y marzo de 2005 indicó que las manchas oscuras en las dunas y las arañas son fenómenos relacionados como funciones del ciclo del dióxido de carbono (CO 2 ) que se condensa como " hielo seco " y se sublima. [20]

También se sugirió inicialmente que las manchas oscuras eran simplemente parches cálidos de suelo desnudo, pero las imágenes térmicas durante 2006 revelaron que estas estructuras eran tan frías como el hielo que cubre el área, [9] [20] indicando que eran una fina capa de material oscuro que yacía sobre el hielo y se mantenía refrigerada por él. [9] Sin embargo, poco después de su primera detección, se descubrió que eran características topográficas negativas, es decir, canales o depresiones radiales de lo que hoy se cree que son sistemas de ventilación tipo géiser. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

Morfología

Manchas oscuras en las dunas. Imagen en color de alta resolución obtenida con la cámara HiRISE
Características de la 'araña' que se muestran en relación con las manchas oscuras de las dunas.
Manchas de sedimentos oscuros que aparentemente emanan de formaciones en forma de "araña".

Las dos características más prominentes de los géiseres (las manchas oscuras en las dunas y los canales en forma de araña) aparecen a principios de la primavera marciana en los campos de dunas cubiertos de dióxido de carbono (CO2 o "hielo seco"), principalmente en las crestas y laderas de las dunas; a principios del invierno, desaparecen. La forma de las manchas oscuras es generalmente redonda, en las laderas suele ser alargada, a veces con arroyos, posiblemente de agua, que se acumulan en charcas en el fondo de las dunas. [21] [22] Las manchas oscuras en las dunas suelen tener entre 15 y 46 metros (50 a 150 pies) de ancho y están espaciadas a varios cientos de pies de distancia. [9] El tamaño de las manchas varía, y algunas son tan pequeñas como 20 m de ancho, [16] [23] —sin embargo, el tamaño más pequeño observado está limitado por la resolución de la imagen— y pueden crecer y fusionarse en formaciones de varios kilómetros de ancho.

Las características de las arañas, cuando se observan individualmente, forman una estructura lobulada redonda que recuerda a una telaraña que irradia hacia afuera en lóbulos desde un punto central. [24] Sus patrones radiales representan canales o conductos poco profundos en el hielo formados por el flujo del gas de sublimación hacia los respiraderos. [3] [4] La red completa de canales de araña tiene típicamente entre 160 y 300 m de ancho, aunque existen grandes variaciones. [2]

La forma característica de cada géiser parece depender de una combinación de factores como la composición y presión local del fluido o gas, el espesor del hielo, el tipo de grava subyacente, el clima local y las condiciones meteorológicas. [14] El límite de los géiseres no parece correlacionarse con ninguna otra propiedad de la superficie como la elevación, la estructura geológica, la pendiente, la composición química o las propiedades térmicas. [6] El sistema similar a un géiser produce manchas, abanicos y manchas de bajo albedo, con pequeñas redes de canales radiales similares a arañas asociadas con mayor frecuencia con su ubicación. [2] [14] [20] Al principio, las manchas parecen ser grises, pero luego sus centros se oscurecen porque gradualmente se cubren con eyecciones oscuras, [18] que se cree que son principalmente arena basáltica . [17] No todas las manchas oscuras observadas a principios de la primavera están asociadas con accidentes geográficos de araña, sin embargo, una preponderancia de manchas oscuras y rayas en el terreno críptico están asociadas con la aparición de arañas más tarde en la temporada. [2]

Las imágenes con lapso de tiempo realizadas por la NASA confirman la aparente expulsión de material oscuro tras el crecimiento radial de canales de araña en el hielo. [9] Las imágenes con lapso de tiempo de una única área de interés también muestran que las pequeñas manchas oscuras generalmente indican la posición de las características de las arañas aún no visibles; también muestran que las manchas se expanden significativamente, incluidos los abanicos oscuros que emanan de algunas de las manchas, que aumentan en prominencia y desarrollan una direccionalidad clara indicativa de la acción del viento. [2]

Algunos barrancos ramificados modifican, otros destruyen y otros crean corteza en un proceso dinámico cercano a la superficie que retrabaja ampliamente el terreno creando y destruyendo capas superficiales. Por lo tanto, Marte parece tener un proceso dinámico de reciclaje de su corteza cercana a la superficie de dióxido de carbono. El proceso de crecimiento es rápido y ocurre en el espacio de unos pocos días, semanas o meses, una tasa de crecimiento bastante inusual en geología, especialmente para Marte. [14] Se han investigado varios modelos geofísicos para explicar el desarrollo de varios colores y formas de estos géiseres en el casquete glaciar del polo sur de Marte.

  • Vista amplia de las columnas, tal como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish. Muchas de las columnas muestran arañas cuando se amplían.
    Vista amplia de las columnas, tal como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish. Muchas de las columnas muestran arañas cuando se amplían.
  • Columnas de humo, como las observa HiRISE en el programa HiWish. La flecha muestra una columna doble. Esto puede deberse a vientos cambiantes.
    Columnas de humo, como las observa HiRISE en el programa HiWish. La flecha muestra una columna doble. Esto puede deberse a vientos cambiantes.
  • Columna larga, como la observa HiRISE en el marco del programa HiWish
    Columna larga, como la observa HiRISE en el marco del programa HiWish
  • Arañas, tal como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
    Arañas, tal como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
  • Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
    Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
  • Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
    Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
  • Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
    Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
  • Vista amplia de plumas y arañas, como las ve HiRISE bajo el programa HiWish
    Vista amplia de plumas y arañas, como las ve HiRISE bajo el programa HiWish
  • Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
    Plumas y arañas, como las ve HiRISE en el marco del programa HiWish
  • Terreno en forma de araña en Marte
    Terreno en forma de araña en Marte

Modelos de mecanismos de géiseres

Se estima que la fuerza de las erupciones varía desde simples oleadas ascendentes hasta erupciones de alta presión a velocidades de 160 kilómetros por hora (99 mph) o más, [4] [25] que transportan columnas de arena basáltica oscura y polvo a gran altura. [9] A continuación se analizan los modelos actuales propuestos que tratan las posibles fuerzas que impulsan el sistema tipo géiser.

Presión atmosférica

La presión atmosférica superficial de Marte varía anualmente entre 6,7 y 8,8 mbar y entre 7,5 y 9,7 mbar; diariamente, entre 6,4 y 6,8 mbar. Debido a los cambios de presión, los gases del subsuelo se expanden y contraen periódicamente, lo que provoca un flujo descendente de gas durante el aumento de la presión atmosférica y una expulsión durante la disminución de la misma. [7] Este ciclo se cuantificó por primera vez con mediciones de la presión superficial, que varía anualmente con una amplitud del 25 %. [2]

Modelo de hidrato de clatrato

Este modelo propone un flujo de gas descendente durante el aumento de la presión atmosférica y ascendente durante la disminución. En el proceso de descongelación, el hielo (clatrato) puede migrar parcialmente al suelo y evaporarse parcialmente. [7] [14] Estas ubicaciones pueden estar relacionadas con la formación de manchas oscuras en las dunas y los brazos de las arañas como vías de desplazamiento del gas. [7]

Ventilación en seco

Una gran formación en forma de "araña" que aparentemente emana sedimentos y da lugar a manchas oscuras en las dunas. Tamaño de la imagen: 1 km (0,62 mi) de ancho.
Según Sylvain Piqueux, la luz del sol provoca una sublimación desde el fondo, lo que lleva a una acumulación de gas CO2 presurizado que finalmente estalla, arrastrando polvo y dando lugar a depósitos oscuros en forma de abanico con una direccionalidad clara que indica la acción del viento. [26]

Algunos equipos proponen la ventilación seca de gas de dióxido de carbono (CO 2 ) y arena, que se produce entre el hielo y el lecho de roca subyacente. Se sabe que una placa de hielo de CO 2 es prácticamente transparente a la radiación solar, donde el 72% de la energía solar incidente a 60 grados de la vertical alcanzará el fondo de una capa de 1 m de espesor. [4] [27] Además, equipos separados de Taiwán y Francia midieron el espesor del hielo en varias áreas objetivo, y descubrieron que el mayor espesor de la capa de escarcha de CO 2 en el área de los géiseres es de aproximadamente 0,76-0,78 m, lo que respalda el modelo geofísico de ventilación seca impulsada por la luz solar. [8] [28] [29] A medida que el hielo de CO 2 de primavera del sur recibe suficiente energía solar, comienza la sublimación del hielo de CO 2 desde el fondo. [2] Este vapor se acumula debajo de la placa, lo que aumenta rápidamente la presión y entra en erupción. [6] [9] [14] [30] [31] El gas a alta presión fluye a velocidades de 160 kilómetros por hora (99 mph) o más; [4] [25] debajo de la placa, el gas erosiona el suelo a medida que se precipita hacia los respiraderos, atrapando partículas sueltas de arena y tallando la red de surcos en forma de araña. [8] El material oscuro cae de nuevo a la superficie y puede ser llevado pendiente arriba por el viento, creando patrones de vetas de viento oscuras en la capa de hielo. [20] [25] Este modelo es consistente con observaciones anteriores. [25] [32] La ubicación, el tamaño y la dirección de estos abanicos son útiles para cuantificar los vientos estacionales y la actividad de sublimación. [26]


Está claro que la sublimación de la base de la capa de hielo estacional es más que capaz de generar una sobrepresión sustancial, [2] que es cuatro órdenes de magnitud mayor que la presión de sobrecarga de hielo y cinco órdenes de magnitud mayor que la presión atmosférica, como se mencionó anteriormente. [2]

La observación de que se forman algunas manchas oscuras antes del amanecer y que se forman manchas significativas inmediatamente después del amanecer respalda la idea de que el sistema está alimentado por energía solar. [33] Finalmente, el hielo se elimina por completo y el material granular oscuro vuelve a la superficie; [33] el ciclo se repite muchas veces. [20] [34] [35]

Los experimentos de laboratorio realizados en 2016 lograron provocar erupciones de polvo a partir de una capa de polvo dentro de un reactor de CO.
2placa de hielo en condiciones atmosféricas marcianas, lo que respalda la teoría del CO
2Modelo de producción de chorro y ventilador. [26]

Erosión provocada por el agua

Los datos obtenidos por el satélite Mars Express permitieron en 2004 confirmar que el casquete polar sur tiene una placa de hielo de CO2 de un espesor medio de 3 kilómetros [36] con contenidos variables de agua congelada, dependiendo de su latitud: el casquete polar brillante en sí mismo es una mezcla de un 85% de hielo de CO2 y un 15% de hielo de agua. [37] La ​​segunda parte comprende pendientes pronunciadas conocidas como "escarpes", hechas casi en su totalidad de hielo de agua, que se desprenden del casquete polar hacia las llanuras circundantes. [37] Esta zona de transición entre los escarpes y el permafrost es la "región críptica", donde se encuentran los cúmulos de géiseres.

Este modelo explora la posibilidad de estructuras erosivas activas impulsadas por el agua, donde el suelo y el agua derivados de la capa subterránea poco profunda son expulsados ​​por el gas CO2 a través de fisuras que erosionan las juntas para crear afluentes radiantes en forma de araña cubiertos con material similar al barro y/o hielo. [14] [38] [39] [40]

Geotermia

Un equipo europeo propone que las características podrían ser una señal de que una fuente de energía no solar es responsable de los chorros, como por ejemplo las olas de calor subterráneas. [14] [41] Este modelo es difícil de conciliar con la evidencia recopilada en forma de imágenes de emisión térmica (infrarrojas), que muestra que los abanicos, manchas y borrones se producen por la expulsión de fluidos fríos o gases fríos. [31] [42]

Ciclo del dióxido de carbono y del agua

Manchas oscuras en las dunas

Michael C. Malin , un científico planetario y diseñador de las cámaras utilizadas por la Mars Global Surveyor que obtuvo las primeras imágenes del fenómeno de los géiseres de CO 2 , está estudiando las imágenes adquiridas de áreas específicas y sigue sus cambios a lo largo de un período de unos pocos años. En 2000, modeló la dinámica de los abanicos y las manchas como un proceso complejo de sublimación y reprecipitación de dióxido de carbono (CO 2 ) y agua. El patrón típico de descongelación procede de la iniciación de pequeñas manchas oscuras ubicadas típicamente en los márgenes de las dunas; estas manchas se agrandan individualmente y eventualmente todas se fusionan. [34] El patrón que sigue la ampliación es distinto y característico: una mancha nuclear oscura se agranda lentamente, a menudo con una zona exterior brillante o "halo". Como estos son fenómenos progresivos y centrípetos, cada ubicación de la zona clara es superada por una zona oscura en expansión. Aunque inicialmente se desarrolló a lo largo de los márgenes de las dunas, la formación de manchas se extiende rápidamente sobre y entre las dunas. A medida que avanza la primavera, se forman colas en forma de abanico ('arañas') a partir de la mancha central. La descongelación se produce a medida que la arena polar de bajo albedo se calienta debajo de una capa ópticamente delgada de escarcha, lo que hace que esta se evapore. Este es el núcleo oscuro de las manchas que se ven en las dunas. A medida que el vapor se mueve lateralmente, encuentra aire frío y precipita, formando el halo brillante. Esta escarcha precipitada se vuelve a vaporizar a medida que la zona de arena descubierta se expande; el ciclo se repite muchas veces. [20] [34] [35]

Agencia Espacial Europea

Manchas de dunas oscuras.

Si bien la Agencia Espacial Europea (ESA) aún no ha formulado una teoría o modelo, ha afirmado que el proceso de sublimación de la escarcha no es compatible con algunas características importantes observadas en las imágenes, y que la ubicación y la forma de las manchas están en desacuerdo con una explicación física, específicamente, porque los canales parecen irradiar cuesta abajo tanto como cuesta arriba, desafiando la gravedad. [43]

Origen biológico hipotético

Un equipo de científicos húngaros propone que las manchas y canales de dunas oscuras pueden ser colonias de microorganismos fotosintéticos marcianos que hibernan bajo la capa de hielo y, cuando la luz del sol regresa al polo a principios de la primavera, la luz penetra en el hielo, los microorganismos realizan la fotosíntesis y calientan su entorno inmediato. Una bolsa de agua líquida, que normalmente se evaporaría instantáneamente en la delgada atmósfera marciana, queda atrapada alrededor de ellos por el hielo suprayacente. A medida que esta capa de hielo se adelgaza, los microorganismos se ven a través de un gris. Cuando se ha derretido por completo, se secan rápidamente y se vuelven negros rodeados de una aureola gris. [22] [44] [45] [46] Los científicos húngaros creen que incluso un proceso complejo de sublimación es insuficiente para explicar la formación y evolución de las manchas de dunas oscuras en el espacio y el tiempo. [23] [47] Desde su descubrimiento, el escritor de ficción Arthur C. Clarke promovió estas formaciones como merecedoras de estudio desde una perspectiva astrobiológica . [19]

Un equipo europeo multinacional sugiere que si hay agua líquida presente en los canales de las arañas durante su ciclo anual de descongelación, las estructuras podrían proporcionar un nicho donde ciertas formas de vida microscópicas podrían haberse retirado y adaptado mientras estaban protegidas de la radiación solar ultravioleta . [3] Los equipos británico y alemán también consideran la posibilidad de que la materia orgánica , los microbios o incluso las plantas simples puedan coexistir con estas formaciones inorgánicas, especialmente si el mecanismo incluye agua líquida y una fuente de energía geotérmica . [14] [48] Sin embargo, también señalan que la mayoría de las estructuras geológicas pueden explicarse sin invocar ninguna hipótesis orgánica de "vida en Marte". [14] (Véase también: Vida en Marte .)

Misión de aterrizaje

No hay datos directos sobre estas características aparte de imágenes tomadas en los espectros visible e infrarrojo, y se está considerando el desarrollo del módulo de aterrizaje Mars Geyser Hopper para estudiar los sistemas similares a géiseres. [49] [50] Aún no se ha propuesto ni financiado formalmente.

Véase también

Referencias

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  • Repositorio de fotografías de "Arañas" marcianas.
  • Arthur C. Clarke sobre "Martian Spider": 1 Archivado el 6 de julio de 2017 en Wayback Machine.
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